起落架輪軸偏角對輪轂結(jié)構(gòu)強度影響分析

劉文斌

（上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210）

0 引言

民用飛機起落架是起飛、著陸、滑跑和各種地面操作情況下，支持飛機機體、減緩著陸沖擊和耗散能量的關(guān)鍵部件[1]，主要包含油氣式緩沖器[2]、機輪剎車系統(tǒng)、扭力臂和撐桿等部件，其中機輪主要由輪胎、輪轂、輪軸和剎車片等零件組成[3]，其典型結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 典型民機起落架結(jié)構(gòu)示意圖

起落架結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計過程，通常是先計算輪胎接地點地面載荷，再根據(jù)力的傳遞分布特性，計算各零部件的界面載荷，再對每個零件進行強度分析[4]，包括輪轂的強度分析。

在起落架地面操作載荷的計算中，國內(nèi)民用飛機設(shè)計根據(jù)CCAR-25 部地面載荷條款[5]的規(guī)定，國外也有相應(yīng)的適航條款，假設(shè)飛機為剛體且不考慮起落架的航向、側(cè)向剛度，即起落架輪軸依據(jù)三面圖與地面處于水平狀態(tài)，這與真實情況存在差異，起落架輪軸可能因為飛機變形或者制造偏差等原因與地面產(chǎn)生偏角[6]。

從輪轂的結(jié)構(gòu)強度分析角度考慮，研究該偏角的影響具有一定的必要性，它不僅可以提高強度設(shè)計準確性，還能因此保證飛機運行安全、減小結(jié)構(gòu)重量[7]、提高經(jīng)濟效益。

本文根據(jù)某型民用飛機主起落架的真實案例，研究了因為制造偏差和結(jié)構(gòu)受載變形共同造成的微小偏角對輪轂結(jié)構(gòu)靜強度的影響，為后續(xù)工藝制造問題處置以及輪轂強度設(shè)計方法提升提供參考。

1 某型飛機輪轂簡介

某型飛機主起落架為雙輪式起落架，機輪是一種A型機輪，主要由鋁合金2014-T6 鑄造而成的內(nèi)半輪轂和外半輪轂構(gòu)成，其設(shè)計用于安裝航空輪胎和剎車片。圖2 為一側(cè)機輪的輪轂，包含根據(jù)相對活塞桿位置定義的內(nèi)半機輪和外半機輪。內(nèi)半機輪位于機輪靠近起落架活塞桿一側(cè)，外半機輪位于機輪偏離起落架活塞桿一側(cè)。機輪與輪軸軸套相互作用面之間使用兩個軸承連接，內(nèi)半機輪和外半機輪通過18 個螺栓連接。

圖2 輪轂結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 機輪受載示意圖

輪轂的受載情況如圖3 所示，當飛機在地面上運行時，地面載荷通過輪胎作用到輪轂靠近地面的端面上。地面載荷主要為垂向力和側(cè)向力，航向力使機輪做轉(zhuǎn)動運動主要傳遞到剎車系統(tǒng)上。載荷作用點為機輪中心線與地面的交點，垂向力垂直地面向上，側(cè)向力與地面平行指向外半機輪為正，航向力垂直紙面向外[8]，分別對應(yīng)圖中坐標系的X、Y和Z軸。

當輪軸存在偏角時，輪轂的受載形式基本不變，但垂向力和側(cè)向力與輪軸的角度產(chǎn)生變化，力素的組合不同將導致結(jié)構(gòu)強度的影響。某型飛機的輪軸偏角示意圖如圖4 所示，該案例由于不同受載情況，偏角度數(shù)從0.3°到1.07°不等。

圖4 偏斜機輪受載示意圖

2 有限元建模

2.1 網(wǎng)格劃分

本文使用hypermesh 進行有限元前處理和網(wǎng)格劃分，使用ABAQUS 進行分析求解。模型包含內(nèi)半機輪、外半機輪和在二分之一處截斷輪軸三個零件，由420 633 個二階體單元構(gòu)成，包含比例分別為98%和2%的六面體單元C3D8 和五面體單元C3D6，以及連接模擬用的少數(shù)coupling單元和tie單元[9]。模型如圖5 和圖6 所示。

2.2 材料屬性

輪轂材料為2014-T6 牌號的鋁合金，根據(jù)材料性能文件MMPDS-04 的AMS4133 規(guī)范，相關(guān)的力學性能為：拉伸極限應(yīng)力448 MPa，拉伸屈服應(yīng)力379 MPa，屈服壓縮應(yīng)力400 MPa，彈性模量74 GPa，泊松比0.33。

圖5 模型連接和加載示意圖

圖6 模型約束示意圖

2.3 零件連接

為準確高效模擬零件間的相互連接，使用coupling單元模擬螺栓連接，使用tie單元模擬零件間的接觸，如圖5 所示。因為輪轂強度危險區(qū)域通常為減重孔邊，離螺栓存在一定距離，因此螺栓連接的簡化，影響較小。

2.4 約束和載荷

如圖5 和圖6 所示，在輪軸端面施加固定約束模表示零件界面，在內(nèi)半輪轂使用coupling控制點約束轉(zhuǎn)動模擬剎車傳力效果，使用coupling模擬地面載荷集中力施加。

2.5 計算工況

計算工況選取了典型嚴重工況14 個，偏角和地面載荷均不同，如表1 所示。標準載荷均為乘以1.5 安全系數(shù)的極限載荷[10]。

表1 計算工況表

3 結(jié)果對比

根據(jù)上述模型和工況，計算出輪軸偏角對強度的影響情況如表2 所示，包含最大VonMises應(yīng)力和應(yīng)力變化的絕對值、相對值。最大變化情況為第13工況，應(yīng)力云圖對比如圖7 所示。

表2 計算結(jié)果對比表

圖7 第13 工況應(yīng)力云圖對比

通過該案例的分析可以看出，主起落架機輪在有輪軸偏角的情況下，機輪影響區(qū)域的應(yīng)力值最大增幅為4.42%，此影響不能忽略不計，需要供應(yīng)商在下一輪分析中考慮輪軸偏角的影響。通過檢查輪轂強度分析報告得知，地面載荷工況下的最小安全裕度為0.05，可以認為此裕度能夠覆蓋輪軸偏角帶來的影響。

4 結(jié)論

本文研究了某型民機主起落架輪轂在不同工況下存在不同偏角時結(jié)構(gòu)靜強度的變化情況。如表1和2 所示，當偏角在0.25°～1.19°之間，變化不大的范圍內(nèi)，最大的應(yīng)力變化情況有增有減，范圍在-4.22%～4.42%內(nèi)，影響無法忽略。基于本案例輪轂靜強度裕度為0.05 的情況下，勉強可以認定滿足強度要求。但后續(xù)必須進一步考慮輪軸偏角的影響，進行精細化高精度的評估，特別是優(yōu)化螺栓連接模擬方式以及輪胎載荷集中力的分載施加，重新計算安全裕度，確保飛機安全。本文研究成果也表明了在民用飛機起落架強度設(shè)計過程中，輪軸偏角對輪轂強度的影響不可忽略，其它起落架零部件也有必要開展類似的影響研究。